基于“三溫模型”的風沙采煤沉陷區檸條錦雞兒灌叢蒸騰特征研究

黨曉宏 徐立杰 高 永,3 張凱輝 馮亞亞

(1.內蒙古農業大學沙漠治理學院,內蒙古 呼和浩特 010018;2.內蒙古杭錦荒漠生態系統國家定位觀測研究站,內蒙古 鄂爾多斯 017400;3.中央與地方共建風沙物理重點實驗室,內蒙古 呼和浩特 010018;4.內蒙古赤峰市克什克騰旗水利局,內蒙古 赤峰 025350)

采礦活動不但占用和破壞大量土地,而且在礦山開采過程中還會通過粉塵、潛在的酸性廢水排放、地表徑流、滑坡、塌陷等過程再次污染及破壞周邊土地資源,并使周邊環境不斷惡化[1]。特別是礦山恢復治理區域土壤養分缺乏,不適當的護理或長期的擱置可能會永久性損害植被的健康[2]。恢復治理區植被恢復狀況是評價恢復治理工作效果的重要指標之一。

我國95%的煤炭開采采用井工開采的方式,這種方式會導致礦區大面積的塌陷下沉,導致環境進一步惡化,加速了土地荒漠化進程[3]。因此,做好礦區的植被恢復工作是煤炭開采的前提。水分是礦區植被恢復的主要限制因子[4-5],探明該地區水分循環過程對植被恢復具有重要意義。植物蒸騰是干旱、半干旱地區水分散失的主要途徑,董學軍等[6]以毛烏素沙地幾種沙地灌木為研究對象,發現影響毛烏素沙地灌木生態系統蒸散發主要來自于植物蒸騰作用。常見的測量單株植物蒸騰的方法在野外條件下具有一定的局限性:“稱重法”和“光合儀法”容易對植物葉片造成損傷,影響植物正常生長;“蒸滲儀”結果最準確但價格昂貴、設備笨重導致其難以在野外應用[7]。一種能在野外條件下測定植株實際蒸騰耗水的方法在生態修復工作中具有重要意義。

“三溫模型”是邱國玉等提出的測算蒸散發的方法。由于該模型的核心參數是表面溫度、參考表面溫度和氣溫,故被稱為“三溫模型”,具有參數少、計算簡單、應用范圍廣和結果精準等特點[8-10]。紅外熱成像技術能觀測人體肉眼不可見的紅外波段的光譜,將其轉變為可見的熱圖像[11],具有高通量性、非接觸性、高分辨等特征[12]。在應用“三溫模型”時使用烘干植物葉片作為參考葉片[13],但是在實際測定中往往不具備烘干條件,因此研究人員常使用綠色的紙張作為參考葉片進行觀測[14-16]。由于不同地區植物葉片種類不同,因此選擇的綠色紙張也應有所不同,但目前對于紙張的選擇方式尚缺少普適性強的成果。確定適合半干旱地區植物蒸騰測定的參考葉片對于該方法在半干旱地區的推廣應用具有重要意義。

本試驗以毛烏素沙地采煤沉陷區生態修復樹種檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)為研究對象,采用“熱紅外遙感+三溫模型”方法探究綠色便簽紙和綠色卡紙作為參考葉片時與烘干植物葉片的差別,確定適合荒漠地區植物蒸騰測量的參考葉片,同時明晰影響該區域檸條錦雞兒蒸騰的主要氣象因子,為非接觸、無損傷、高精度測定荒漠灌叢蒸騰速率提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古自治區鄂爾多斯市伊金霍洛旗(38°46′～38°51′N,110°21′～110°23′E)。 該區域為典型的大陸性季風氣候,年均降水量為362 mm,主要集中在6～9月。氣溫年際變化較大,多年平均氣溫為7.3℃。年均潛在蒸發量為2 297.4～2 838.7 mm。風向以西北風為主,年平均風速為3.3 m/s。風沙天氣頻發,年均大風日數在50 d左右,且主要集中在4～5月。土壤以風沙土為主,土壤發育程度較低,養分含量十分缺乏。由于采礦活動影響,導致該區域野生植物退化嚴重,植被以人工植被為主,包括檸條錦雞兒、沙柳(Salixpsammophila)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、小葉楊(Populussimonii)等,零星生長有油蒿(Artemisiadesertorum)和沙米(Agriophyllum pungens)等小灌木及一年生草本植物。

1.2 試驗設計

1.2.1 研究對象選擇

本試驗在2019年9月25日晴朗無云的天氣下進行,選擇毛烏素沙地東北緣采煤沉陷區典型生態修復樹種人工飛播檸條林作為試驗區,面積1 762.85 m2,海拔1 228 m。依據樹冠不受遮蔽原則,在試驗區內選擇7株生長健康、不受其他植株遮蔽的檸條錦雞兒作為試驗對象(表1)。

表1 試驗選取檸條的生長指標Table 1 Growth indexes of caragana korshinskii was selected in the experiment

1.2.2 表面溫度拍攝

使用Fluke TiR4FT 熱成像儀(Fluke TiR4FT Infrared Camera)獲取檸條錦雞兒葉片及各參考葉片的溫度,該儀器配備320×240焦平面陣列(FPA)探測器,選用標準紅外鏡頭,視場為23°×17°,熱敏度為≤0.05℃,發射率設定為0.95。測量時段為9∶00～17∶00,步長 2 h,相鄰的兩次拍攝順序相反且鏡頭垂直于冠層且冠層頂端距鏡頭1 m以上。將參考葉片布設于無蒸騰冠層上方,參考葉片布設的傾斜角度、方位等盡量和同時觀測的植物葉片保持一致,為保證參考葉片和植物葉片受到相同的光照,拍攝前0.5 h將參考葉片布設于試驗樣地。

1.2.3 葉片溫度提取

在FLUKE中國官網下載Fluke Smart View 4.3軟件提取葉片溫度,植物冠層熱紅外圖像及可見光圖像如圖1(a)、圖1(b)所示,結合圖1(a)和圖1(b)可以將圖像中的土壤及植物進行區分,紅色區域(土壤)溫度比植被(藍色區域)高,對藍色部分進行溫度提取,圖1(c)中白色方框代表提取一次的葉片溫度,重復提取15次,以15次的均值作為該時刻檸條灌叢的葉溫,如圖1(d)所示。

圖1 檸條的熱紅外溫度圖像及其溫度提取結果Fig.1 Results of Caragana korshinskii and temperature extraction

1.2.4 參考葉片篩選

經過調查,卡紙和便簽紙是研究區最容易獲得的綠色紙張,因此使用上述兩種綠色紙張(卡紙葉片和便簽紙葉片均為當地文具用品店購買,卡紙厚0.2 mm,便簽紙厚0.1 mm)和烘干植物葉片作為參考葉片從葉片溫度和蒸騰結果兩方面進行比較,確定適合測定該地區植物蒸騰的參考葉片。由圖2可知:便簽紙表面溫度和干葉片及卡紙葉片存在較大差異。當便簽紙作為參考葉片時,檸條在9∶00時的蒸騰速率為4.95 mm/h,與干葉片在該時刻的蒸騰速率有極顯著差異(P=0.005＜0.01)。

圖2 葉片溫度日變化Fig.2 Diurnal variation of leaf temperature

以葉片溫度變化以及計算結果作為選擇參考葉片的指標,發現便簽紙不適合作為檸條錦雞兒的參考葉片,當缺乏植物烘干條件時卡紙可以作為干葉片的替代品計算植物蒸騰。

1.2.5 氣象因子測定

使用Vaisala WXT520移動氣象站同步測定研究區氣溫、太陽輻射、空氣濕度、風速等氣象因素,氣象數據10 min的平均值由CR200X數據采集器計算和記錄。

1.2.6 基于“三溫模型”的植物蒸騰計算

“三溫模型”原理已有不少文獻進行了闡述,本研究中僅使用植被蒸騰模型,以下對其加以介紹。

當地表被植被覆蓋時,可以忽略土壤熱通量,植被表面的能量平衡方程可以表示為

式中,LEc為植被的潛熱通量,W/m2;Rn,c是植被吸收的太陽凈輻射,W/m2;Hc是顯熱通量,W/m2。

Hc可表示為

式中,ρ是空氣密度,為1.39 kg/m3;Cp是空氣定壓比熱(在平均空氣狀況下,其值約為1.013×10-3MJ/(kg·K);Tc是植被冠層溫度,K;Ta是空氣溫度,K;ra是空氣動力學阻抗,s/m。其可通過參考葉片計算,參考葉片無蒸騰作用,且不會導致周圍環境發生顯著改變,ra計算公式如下:

式中,Tp是參考植被的冠層溫度,K;Rn,cp是參考植被吸收的凈輻射,W/m2。結合上述公式即可得到植被蒸騰的計算公式:Rn,c可以利用以下公式計算:

式中,Tr是蒸騰速率,mm/h;Rs是太陽輻射,W/m2;α是地表反照率,取值為0.22。

2 結果與分析

2.1 研究區氣象因子日變化規律

氣象因子為植物蒸騰提供能量,因此其影響植物蒸騰速率。由圖3可知:氣溫、太陽輻射和風速隨著測定時間呈先升高后降低的變化趨勢,且在13∶00時達到最大值。相對空氣濕度變化則與之相反。對于氣溫而言,其波動范圍較小,早上9∶00時氣溫最低,13∶00時氣溫最高,為23.63℃;對于太陽輻射而言,太陽輻射在13∶00時達到峰值741.07 W/m2,13∶00后太陽輻射變化幅度加快近于線性變化,17∶00時達到最小值123.16W/m2。對于風速而言,13∶00時風速為2.61 m/s。對于空氣相對濕度而言,9∶00時太陽輻射和氣溫較低,空氣中水分較多,濕度最高,為39.21%,隨著氣溫和太陽輻射的上升,空氣中的水分蒸發,空氣濕度開始降低,在13∶00處達到最低值22.94%,15∶00后濕度上升速度加快,在17∶00時濕度達到測定時間內第二峰值30.49%。

圖3 研究區氣象因子日變化Fig.3 Diurnal variation of meteorological factors in sample area

2.2 檸條錦雞兒灌叢蒸騰速率日變化規律與日蒸騰量

依據提取的葉溫、氣溫和太陽輻射結合“三溫模型”計算了檸條錦雞兒蒸騰速率并繪出了檸條蒸騰速率日變化曲線(圖4)。檸條錦雞兒日蒸騰速率為“單峰型”,在13∶00時達到峰值,為0.71 mm/h。 以瞬時蒸騰速率作為基礎對檸條錦雞兒的日蒸騰量進行了計算,發現其日蒸騰量為4.64 mm。

圖4 檸條錦雞兒蒸騰速率日變化Fig.4 Diurnal variation of transpiration rate of Caragana korshinskii

2.3 影響荒漠灌叢檸條蒸騰速率的主要氣象因子分析

影響植物蒸騰作用的因素包括內因和外因,氣象因子是影響蒸騰速率的主要外因。由表2可知:檸條錦雞兒蒸騰速率(Tr)與太陽輻射(Rs)和風速(Vs)分別呈顯著正相關和極顯著正相關,相關系數分別為0.932,0.961;Vs與Rs之間呈顯著正相關,相關系數為0.938。氣溫(Ta)與相對空氣濕度(Rh)之間呈極顯著負相關。在各氣象因子中,Vs和Rs是影響檸條錦雞兒蒸騰的主要氣象因子。

表2 檸條蒸騰速率與氣象因子的相關關系Table 2 Correlation between transpiration rate of Caragana korshinskii and meteorological factors

3 討 論

植物葉片溫度是環境和植物共同影響葉片能量平衡的結果。20世紀中后期以來,大量研究表明植物葉片溫度與蒸騰密切相關[17]。植物通過蒸騰作用消耗葉片吸收和產生的熱量,使葉片溫度維持在一定范圍內,防止葉片生理組織受損,保證植物的正常生長[18]。因此,植物蒸騰速率可以通過葉片溫度進行計算,“三溫模型”通過引入參考葉片的概念在溫度差方法的基礎上消除了難以測定的空氣動力學阻力,使植物蒸騰的計算過程變得簡單,應用范圍更廣[14]。

植物葉片在長期進化過程中形成了不同的結構來適應當地環境。因此,在選擇參考葉片時應因地制宜選擇適合該地區植物的參考葉片。在選取參考葉片時應同時考慮獲取的簡單性和結果的準確性兩大特點。本試驗本著獲取簡單的原則,選擇綠色卡紙和便簽紙作為參考葉片進行植物蒸騰計算,但和檸條葉片相比,便簽紙厚度較薄,卡紙的厚度和檸條葉片類似。由于參考葉片不具備蒸騰降溫作用,其溫度變化主要受太陽輻射的影響,當輻射強度較高時,其溫度遠高于植物葉片[19],不同厚度的參考葉片吸收太陽輻射的能力不同,便簽紙溫度在正午時分僅略高于葉片溫度,與卡紙和干葉片溫度相差極大,這一結果和QIU等[20]、凌軍等[21]測得的在強太陽輻射下干葉與植物葉的溫度差值不符。而卡紙葉片與干葉片溫度在太陽輻射較高時溫度變化極為吻合,隨著太陽輻射的減小吻合度略有降低,但計算結果不存在顯著性差異,表明卡紙可以代替干葉片進行荒漠地區植物蒸騰速率的計算。

雖然大田試驗證明“三溫模型”性能與其他計算蒸騰的模型性能相當,和蒸滲儀的測量結果相比較也具有高精準度。但這是該方法首次應用于檸條的蒸騰測定,計算結果尚需與他人測定結果進行比較驗證。光合儀可以用于樹種蒸騰間的比較[7],因此可以將該方法與光合儀法進行蒸騰速率日變化規律的比較。本研究中檸條錦雞兒蒸騰速率日變化為“單峰型”,13∶00時蒸騰速率最大,與楊國敏[22]、邵玲玲等[23]使用光合儀測得的檸條蒸騰速率日變化一致。蒸滲儀是測定單株植物實際蒸騰量的最佳方法,但無法對研究區生長多年的檸條進行測定,王幼奇等[24]在距研究區60 km的神木侵蝕與環境試驗站使用稱重式蒸滲儀對檸條的蒸騰耗水進行了測定,發現9月檸條日蒸騰量集中在3～5 mm,均值為3.17 mm,最大值接近6 mm,且降雨后的幾天蒸騰量明顯增加。由于試驗開始前研究區有較大降雨(21、22日),且所測檸條錦雞兒樣叢株高大于王幼奇等[24]的試驗對象(60 cm),因此日蒸騰量高于王幼奇等[24]測定的9月日平均蒸騰量,但計算值仍在王幼奇等[24]測得的檸條9月蒸騰量范圍。上述結果表明:采用“三溫模型+熱成像技術”方法計算檸條錦雞兒的蒸騰速率是可行的[23]。

植物蒸騰作用主要以氣孔蒸騰的方式進行。影響氣孔蒸騰作用的因素主要為土壤水分、光照強度、空氣溫濕度和風速等[25-26]。本研究發現,影響檸條錦雞兒蒸騰速率的因素為太陽輻射和風速。該研究結果與譚娟對4種典型植物的研究結果相悖。其研究結果發現,影響典型植物蒸騰作用的因素為大氣溫度和土壤含水量。在毛烏素沙地,其光照資源非常豐富,隨著太陽輻射逐漸增強,其大氣溫度逐漸增強,導致葉片內外蒸氣壓逐漸增大,從而增加了葉片水分蒸發速率。風是影響植物生長發育的外部環境因子,其主要通過影響邊界層阻力影響植物蒸騰。黃磊等[27]研究表明,風速能促進植物蒸騰;但GRIDDINGS[28]研究表明,風速會抑制植物蒸騰,是因為風速增強將會導致植物葉片氣孔關閉。本研究結果與黃磊等[27]的研究結果一致。這可能是因為風降低了葉片氣孔周邊的水汽濃度,導致其空地相對濕度降低,從而增加了水汽擴散梯度,最終加快了植物蒸騰速率[29]。

4 結 論

本研究利用“三溫模型+熱紅外遙感”方法對不同類型參考葉片下的礦區典型生態修復樹種檸條錦雞兒的蒸騰速率進行了測定,確定了適合毛烏素沙地荒漠植被的參考葉片,為觀測植物蒸騰作用提供了可靠的手段和思路。主要取得如下結論:

(1)研究區氣溫、太陽輻射和風速隨著測定時間呈先升高后降低的變化趨勢,且在13∶00達到最大值;相對空氣濕度則與之相反。

(2)卡紙和干葉片作為參考葉片計算的檸條錦雞兒蒸騰速率較吻合,13∶00時均達到0.71 mm/h的蒸騰速率最大值,以卡紙作為參考葉片時檸條日蒸騰量為4.26 mm,低于干葉片的4.64 mm。可見,綠色卡紙可以作為參考葉片計算檸條錦雞兒蒸騰速率。

(3)太陽輻射、風速與檸條蒸騰速率分別呈顯著正相關和極顯著正相關,表明太陽輻射和風速是影響檸條蒸騰速率的主要環境因子。

(4)本研究野外試驗時間較短,今后應該結合無人機和衛星熱紅外遙感,大范圍、大尺度觀測沉陷對蒸散的影響。